Wie man ins Innere der Erde schaut

GOCE umkreist in 90 Minuten die Erde, und seine Bahn über­
streicht innerhalb von zwei Monaten den gesamten Globus. So kann
der Satellit lückenlos vom Weltraum aus die Gravitation vermessen
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Foto: ESA
www.goce-projektbuero.de
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Geodäsie
Wie man ins Innere
der Erde schaut
Unser Globus ist nicht so regelmäßig, wie er von der Ferne aussieht. In seinem Inneren
wirken Kräfte, die sein Schwerefeld verbeulen, mit weitreichenden Folgen. Um dessen
Form endlich exakt zu bestimmen, vermessen es europäische Forscher mit dem Satelliten GOCE nun mit nie gekannter Genauigkeit. Prof. Reiner Rummel von der TUM ist
einer der Väter dieser ESA-Mission
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Fotos: ESA
GOCE bei der Endkontrolle in der Montagehalle im europäischen Zentrum für Weltraumforschung und Technologie der ESA (ESTEC) im niederländischen Noordwijk
Bild rechts oben: An vielen Punkten ist der genaue Wert der Schwerkraft schon durch irdische Messungen bekannt. Aber über dem Meer oder über Gebirgen muss nun GOCE ran
Bild rechts unten: Nachdem GOCE nach Russland transportiert worden war, wurde er
auf die Trägerrakete montiert. Hier steht er bereits im Startturm im Kosmodrom Plessezk
Geodäsie
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1
Blick 1
2
0°
Blick 2
Blick 4
0°
Blick 3
Das Geoid ist eine dem mittleren Meeresniveau entsprechende Äquipotenzialfläche der Schwerkraft der Erde und weicht um bis zu 100 Meter von einem regelmäßigen Rotationsellipsoid ab. Hier sind die Abweichungen stark überhöht gezeigt, und so wirkt es wie eine Kartoffel
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es auch bald möglich sein, die Meereshöhe überall auf
ein bis zwei Zentimeter genau zu bestimmen, unabhängig von Hafenstädten oder Unterseetunneln.
Eine riesige Wasserwaage
GOCE steht für Gravity Field and Steady-State Ocean
Circulation Explorer, und in diesem Namen drücken
sich bereits die beiden Hauptaufgaben des Satelliten
aus: die Messung des Gravitationsfeldes der Erde und
die Erkundung der Ozeanzirkulation. Beides hängt aufs
Engste zusammen, und beides hat letztlich mit der Bestimmung des Geoids zu tun. Dieses Gebilde ist ein
gedachter Körper, der die Oberfläche eines hypothetischen, die gesamte Erde vollständig bedeckenden
Weltozeans darstellt. Dabei soll dieser in Ruhe sein,
seine Form wäre ausschließlich durch die Schwerkraft festgelegt. „Es ist eine Fläche, die überall horizontal ist“, erklärt Prof. Reiner Rummel, Mitinitiator der
GOCE-Mission und bis vor Kurzem Professor für
Astronomische und Physikalische Geodäsie an der
Grafik: ediundsepp
s ist ein seltsames Missverhältnis: Während
Google unsere Erde heute schon bis in den
letzten Vorgarten hinein abbildet, weiß die
Wissenschaft noch nicht einmal genau, wie hoch nun
wirklich die Meereshöhe ist. Deutschland richtet sich
dabei nach dem Meeresspiegel in Amsterdam, Frank­
reich nach dem in Marseille, Österreich nach dem in
Triest. Und als man Anfang der neunziger Jahre den
Tunnel unter dem Ärmelkanal baute und damit endlich
eine Basis für Vergleichsmessungen zwischen Großbritannien und dem Kontinent schuf, stellten Geodäten mit
Schrecken fest, dass die angenommene Meereshöhe
zwischen den beiden Seiten um rund einen halben Meter differierte.
Mit solchen Fehlern wird es nun bald ein Ende haben.
Denn seit dem 17. März 2009 umkreist GOCE, ein Satellit der Europäischen Weltraumbehörde ESA, die Erde
und vermisst deren Schwerefeld mit noch nie dagewesener Genauigkeit. Seine Messungen sind untrennbar
verbunden mit der Ermittlung der Erdfigur, und so wird
Geodäsie
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Seit seinem Start am 17. März 2009 vermisst GOCE mit großer Genauigkeit dieses Geoid, das hier von vier Seiten gezeigt wird. Die Unterschiede in der Schwerkraft ergeben sich aus den Dichtestrukturen in Erdkruste und -mantel, aus großen Eismassen und Meeresströmungen
TUM. „Das Geoid ist praktisch eine erdumspannende
Wasserwaage. Egal, wo Sie auf seine Oberfläche eine
Wasserwaage legen, sie wird überall perfekt horizontal
sein.“ Das heißt jedoch noch lange nicht, dass es sich
um eine Kugel handelt, sondern es hat in Wirklichkeit
eher die Form einer Kartoffel, oder wissenschaftlicher
ausgedrückt: Es gleicht einem Rotationsellipsoid, dessen Oberfläche sich an manchen Stellen bis zu 100 Meter aufwölbt oder eindellt. In der Erdvermessung dient
das Geoid als Bezugshorizont für die Topografie der
Ozeane und Kontinente.
Dellen im Bauch der Erde
Die Abweichungen von der Form des Ellipsoids entstehen durch Massenunterschiede im Untergrund. „Idealerweise betrachtet man ja die Erde als Kugel mit einheitlicher Dichte“, erläutert Prof. Roland Pail, Rummels
Lehrstuhl-Nachfolger, der sich intensiv bei der Auswertung der GOCE-Daten engagiert. „Wenn das so wäre,
würde auch das Geoid eine Kugel sein, die erst durch
die Rotation an den Polen abgeplattet würde. Sobald
man aber irgendwelche inhomogenen Massenverteilungen im Erdinneren hat, zeigt die Erde keine konstante Dichte mehr, und dementsprechend verändert sich
auch die Schwerkraft und damit das Geoid.“ Der Bauch
der Erde bekommt Dellen oder Buckel, je nachdem,
was innen vor sich geht.
Die Form des Geoids soll GOCE also bestimmen. In
der Praxis geschieht dies dadurch, dass der Satellit die Schwerkraft misst, die die Erde an jeder Stelle
auf ihrer Oberfläche und im Weltraum ausübt. Für viele
Punkte auf der Erdoberfläche ist der Wert schon bekannt, denn man kann ihn direkt mit Fallversuchen
oder Federwaagen messen. Aber über dem Meer oder
in unwegsamem Gelände, im Urwald oder in Wüsten
war man bisher auf Schätzungen angewiesen. GOCE
jedoch umkreist in 90 Minuten die Erde, und seine Bahn
überstreicht innerhalb von zwei Monaten den gesamten
Globus. So kann der Satellit lückenlos vom Weltraum
aus die Gravitation vermessen.
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Grundsätzlich erscheint es beinahe paradox, das
Schwerefeld der Erde vom Weltraum aus zu erfassen,
denn die Signalstärke nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab. Die Umlaufbahn des Satelliten sollte daher
möglichst niedrig sein, damit man ein möglichst großes
Signal messen kann.
Andererseits gilt aber auch: Je niedriger der Satellit
fliegt, desto mehr Luftwiderstand wirkt auf ihn. Dies
verursacht wiederum Störungen in seiner Bewegung,
die nicht auf die Gravitation zurückzuführen sind und
die man kompensieren muss. Als Kompromiss zwischen den beiden Effekten hat man für GOCE eine
Umlaufbahn in etwa 255 Kilometer Höhe gewählt, was
beträchtlich niedriger ist als die Umlaufbahn anderer
Fernerkundungssatelliten. Die ganz allmähliche Abbremsung durch die Restatmosphäre in dieser Höhe
wird durch ein Ionentriebwerk kompensiert, das kontinuierlich arbeitet. So sind Satellit und Messgeräte nur
unter Einfluss der Gravitation.
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Super-GPS zur Bahnberechnung
Bei der Ermittlung der Gravitationskraft spielen zwei
Messsysteme zusammen: Einerseits bestimmt GOCE
mithilfe von GPS-Signalen laufend seine Position, und
zwar viel genauer, als dies Autofahrer auf der Erde tun.
Aus diesen Messungen berechnet man die Umlaufbahn
auf Zentimeter genau, die aufgrund der schwankenden
Gravitation natürlich auch keine exakte Kreisbahn ist.
Aus dieser unregelmäßigen Bahn wird auf die verursachende Gravitation zurückgeschlossen. Andererseits
enthält der Satellit ein sogenanntes Gradiometer, das
feinste Beschleunigungen messen kann. Es besteht
aus drei Prüfmassenpaaren, die am Ende von drei zueinander senkrecht stehenden, ungefähr 50 Zentimeter
langen Achsen positioniert sind. Auf jede Prüfmasse
wirkt das Gravitationsfeld der Erde aufgrund ihrer unterschiedlichen Position im Schwerefeld etwas anders.
Aus den Differenzen der Beschleunigungsmessungen
kann man deshalb ein sehr detailliertes Abbild der
räumlichen Variationen der Schwerkraft auf der
Grafik: ediundsepp; Foto: ESA
Geophysikern eröffnet GOCE einen Blick in den Bauch der Erde. Aus dem Gravitationsfeld ergeben sich wichtige Beiträge zum Verständnis von Gebirgsbildung, Plattentektonik, Vulkanismus bis hin zu Erkenntnissen über die Erdbebenentstehung
Geodäsie
Erdkruste
Erdmantel
Innerer Kern
Die Erde ist in ihrem Inneren nicht völlig homogen. Die Variationen in der Dichte des Materials sorgen dafür, dass das Geoid Dellen oder
Buckel bekommt, je nachdem, was innen vor sich geht
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Geodäsie
Das Herz des Satelliten: Im oberen Teil befinden sich die drei
Gradiometrie-Messgeräte, darunter die Computer
Überhaupt ist man beim Bau von GOCE an die Grenzen
des technisch Machbaren gegangen, um höchste Präzision zu erzielen. Das Gradiometer wird beispielsweise
auf ein zehntausendstel Grad temperaturstabil gehalten; extrem feste Kohlefaserstrukturen sorgen dafür,
dass der Satellit sich nicht verformt. Solarzellen erzeugen die nötige Energie für den Betrieb, und vielfältige
Positionierungs- und Peilgeräte halten den Satelliten
auf Kurs. Wegen der irdischen Schwerkraft konnte man
nicht alles auf der Erde erproben, auch wenn man einzelne Teile des Satelliten beispielsweise im Bremer Fallturm für einige Sekunden in Schwerelosigkeit getestet
hat. „GOCE ist ein Prototyp“, betont Rummel, „der wird
raufgeschickt, und alles muss auf Anhieb laufen. Dass
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die Messsysteme, die wirklich heikel sind, alle funktionieren, finde ich grandios. Das ist eine fantastische Ingenieurleistung und ein echter Erfolg.“
Der Prototyp brachte allerdings auch unliebsame Überraschungen. So fiel schon im Februar 2010 wegen eines
Chip-Problems der Hauptcomputer aus, und die Wissenschaftler mussten auf den Backup-Computer umschalten. Deshalb war das Entsetzen groß, als dieser
am 8. Juli 2010 von einer Sekunde zur anderen schwieg
und keine Daten mehr zur Bodenstation in Kiruna sendete. Zum Glück erhielt man wenigstens noch einige
Telemetriedaten vom Satelliten, und so konnten sich
die Spezialisten aus Industrie und Forschung langsam an das Problem herantasten. „Am Ende stellte
sich heraus, dass der Computer offenbar zu kalt war“,
sagt Rummel. „Als man seine Temperatur um sieben
Grad erhöhte, begann er wieder zu arbeiten.“ Für den
64-jährigen Geo­däten und seinen 38-jährigen Kollegen
Roland Pail bedeutete dieses Missgeschick, dass
Bild: TUM
Erde berechnen. „Die Unterschiede in der Anziehung
sind natürlich extrem klein“, betont Reiner Rummel. „Es
ist eine Kunst, sie zu messen, denn es handelt sich nur
um ein Millionstel der Erdanziehung, und diesen Wert
können wir wiederum auf ein Millionstel genau messen.“
So funktioniert das Messsystem:
GPS-Satellitenbahnen
GPS-Satelliten
1
Die zwei Messkomponenten der GOCE-Mission:
Die unregelmäßige Massenverteilung in der Erde
(symbolisiert durch den grauen Störkörper) führt zu
einer unregelmäßigen Satellitenbahn. Diese wird mittels GPS gemessen. Aus den Bahnabweichungen zu
einer idealen Kreisbahn kann man dann bereits auf
das zugrunde liegende Schwerefeld schließen.
Gradiometrie
Satellitenbahn GOCE
Störkörper
Oberfläche Geoid
Gradiometrie
Störkörper
2
Noch weitaus feinere Abweichungen misst das
Gradiometer-Messgerät in GOCE. Es besteht aus
6 Probemassen (als graue Würfel dargestellt), die
paarweise am Ende von drei zueinander senkrecht
stehenden Achsen angeordnet sind. Auf diese wirkt
die Schwerebeschleunigung aufgrund der Störkörper unterschiedlich. Daraus kann das Schwerefeld
berechnet werden.
Oberfläche Geoid
3
Zur Veranschaulichung wird der Effekt nur für eine
Achse betrachtet. Sensoren messen die Beschleunigung jeder der beiden Massen.
Grafik: ediundsepp
Störkörper
Oberfläche Geoid
4
Da die Gravitation an jeder Stelle etwas unterschied­
lich ist, wirkt auf jede der Probemassen eine andere
Kraft, sie werden deshalb ganz minimal in unterschiedliche Richtungen bewegt. Dies resultiert letztlich in einer winzigen Bewegung der Massen entlang
ihrer Verbindungsachse. Für die beiden anderen
Achsen funktioniert das analog.
Störkörper
Oberfläche Geoid
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Pazifik
Indischer
Ozean
Kalter und salziger Tiefstrom
Warmer Flachstrom
Golfstrom
Ozeanografen hoffen, dass sie mit den GOCE-Daten die großen Meeresströmungen sehr viel genauer berechnen können als bisher. Denn
diese sind sowohl von der Erdrotation als auch von den Schwereverhältnissen auf der Erde abhängig
sie zusammen mit vielen anderen auf ihren Sommerurlaub verzichten und sich um ihr „Baby“ GOCE kümmern
mussten; erst im September war der Schaden behoben.
Keine Schlafphasen
Abgesehen von diesen Ausfällen arbeitet GOCE jedoch
besser als erwartet, selbst die vorher eingeplanten
„Schlafphasen“ waren nicht nötig. Nach der Einschaltund Eichphase, die bis September 2009 dauerte, nahmen die Messgeräte ihren Betrieb auf, und seither sind
die Wissenschaftler mit der Auswertung der gelieferten
Daten beschäftigt und damit, daraus das Gravitationsfeld der Erde zu rekonstruieren. Das ist ein äußerst
anspruchsvolles Unterfangen: „Es ist im Prinzip die
Lösung eines großen Gleichungssystems“, schildert
Roland Pail das Vorgehen. „Wir versuchen, das Geoid
durch ein mathematisches Modell zu beschreiben, das
50.000 bis 60.000 Parameter hat. Wir haben etwa 100
Millionen Beobachtungsdaten in einem halben Jahr.
Daraus berechnen wir diese Parameter. Wir lösen die46
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se Aufgabe zum Teil mit Clustersystemen und paralleler
Prozessierung, also mit eigens dafür zugeschnittenen
Computern.“ Außerdem sind etliche Kunstgriffe der
Mathematik und eine Vielzahl speziell entwickelter Software-Programme nötig, um die einzelnen Effekte, die
auf die Messgeräte wirken, zu identifizieren und deren
Beiträge voneinander zu trennen.
Strömungen im Ozean
Forschergruppen auf der ganzen Welt warten schon auf
die Ergebnisse. Da sind zum einen die Ozeanografen,
die sich für die großen Meeresströmungen interessieren.
Diese sind sowohl von der Erdrotation als auch von den
Schwereverhältnissen abhängig. „Die große Badewanne Ozean stellt sich im Idealfall so ein wie das Geoid“,
erläutert der wissenschaftliche Projektleiter Reiner
Rummel. Idealfall heißt hier, dass man sich Wind und
Wellen wegdenkt. In der Realität aber zeigen die Ozeane Abweichungen vom Geoid. Dieser Zustand gibt im
Wesentlichen Ozeanströmungen wieder, also Trans-
Grafik: ediundsepp
Atlantik
Geodäsie
[m]
1
60
40
0.5
20
0
0
−0.5
Breitengrade
−20
−40
−1
−60
−1.5
Grafik: ediundsepp nach TUM
0
50
100
150
200
250
300
350
Längengrade
Die Auslenkung der tatsächlichen Meeresoberfläche gegenüber dem GOCE-Geoid (in Metern). Man erkennt im Nordatlantik das Golfstromsystem und am Südpol den sehr starken Zirkumpolarstrom, der sich dort ungehindert von Kontinenten um die Erde bewegen kann
porte von großen Wassermassen durch die Weltmeere.
Auf diese Weise können die Ozeanografen Strömungen
ableiten. Daraus ergeben sich wesentliche Inputs, um
langfristige Klimavorhersagen zu erstellen, denn beispielsweise der Golfstrom befördert ständig warmes
Wasser nach Europa. Ihm ist zu verdanken, dass das
Küstenwasser Europas etwa vier Grad Celsius wärmer
ist als das Wasser in Gebieten gleichen Breitengrades
im Nordpazifik. „Solche Fragen kann man natürlich nur
untersuchen, wenn man das Geoid genau kennt“, sagt
Rummel. „Wir messen also den wirklichen Ozean mit
einem anderen Satellitenverfahren und parallel dazu
das Geoid mit GOCE auf zwei Zentimeter genau in der
Höhe. Dann nehmen wir die Differenz. Es ist das erste
Mal, dass man global, also nicht aus numerischen Modellen, Ozeanzirkulationen erfassen kann. Das ist es,
was die Ozeanografen von uns wollen.“
Die anderen Hauptabnehmer der GOCE-Daten sind
neben den Geodäten die Geophysiker, die sich für die
Massenverteilung und die Prozesse im Inneren der
Erde interessieren. So eröffnet GOCE sozusagen einen
Blick in den Bauch der Erde. Denn dort, bereits wenige
Hundert Kilometer unter der Erdkruste, geht es recht
dynamisch zu, wenn auch die Prozesse nach unseren
Zeitmaßstäben sehr langsam ablaufen. Aber wenn man
das Gravitationsfeld und seine Anomalien kennt, ergeben sich daraus wichtige Beiträge zum Verständnis von
Gebirgsbildung, Plattentektonik, Massengleichgewicht
und Konvektion im Erdmantel bis hin zu Erkenntnissen
über die Erdbebenentstehung.
Ursprünglich sollte die GOCE-Mission im April 2011 beendet sein. Nun aber, seit sich zeigt, dass die Genauigkeit der Schwerefeldmodelle mit jedem Umlauf besser
wird, wollen die beteiligten Forscher gern eine Verlängerung der Mission erreichen, zunächst bis 2012, vielleicht sogar bis 2014. Aber irgendwann ist der Treibstoff
des Ionentriebwerks aufgebraucht, und GOCE wird den
Weg aller Satelliten gehen: Er wird sich der Erde immer weiter nähern und schließlich in der Atmosphäre
Brigitte Röthlein
verglühen.
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